Penggunaan Karbon Aktif Cangkang Pala - TiO 2 Untuk Fotodegradasi Zat Warna Metanil Yellow

Transkripsi

1 JURNAL MIPA UNSRAT ONLINE 3 (2) dapat diakses melalui Penggunaan Karbon Aktif Cangkang Pala - TiO 2 Untuk Fotodegradasi Zat Warna Metanil Yellow Grace Aprianne Bellatrix Patiung a, Audy D. Wuntu a*, Meiske S. Sangi a a Jurusan Kimia, FMIPA, Unsrat, Manado K A T A K U N C I Metanil yellow Karbon aktif Titanium dioksida fotodegradasi K E Y W O R D S Metanil yellow Activated carbon Titanium dioxide Photodegradation TERSEDIA ONLINE 22 Oktober 2014 A B S T R A K Telah dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh perbandingan berat karbon aktif cangkang pala (KA) : titanium dioksida (TiO2), konsentrasi awal metanil yellow, dan lama penyinaran UV pada jumlah metanil yellow yang terdegradasi menggunakan KA-TiO2. KA dibuat melalui aktivasi arang cangkang pala menggunakan NaCl pada 700 o C. Pembuatan fotokatalis KA-TiO2 dengan perbandingan berat 0,1:9,9 (KA 1%) dan 0,5:9,5 (KA 5%) dilakukan dengan cara sonifikasi. Interaksi KA- TiO2 dengan metanil yellow dilakukan pada konsentrasi awal 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, dan 50 ppm selama 3 jam. Eksperimen pengaruh lama penyinaran dilakukan pada variasi 1, 2, 3, 4, 5, 18, dan 20 jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa makin tinggi konsentrasi awal dan makin lama penyinaran, makin banyak metanil yellow terdegradasi. Fotokatalis dengan perbandingan berat KA:TiO2 0,1:9,9 mendegradasi metanil yellow lebih banyak dengan persen degradasi maksimum 66% pada konsentrasi awal 6 ppm. A B S T R A C T A research had been done to determine the effect of weight ratio of nutmeg shell activated carbon (KA) : titanium dioxide TiO2, initial concentration of metanil yellow, and UV irradiation time on the quantity of metanil yellow degraded using KA-TiO2. KA was prepared by activating nutmeg shell charcoal using NaCl at 700 o C. KA-TiO2 having weight ratio of 0.1:9,.9 (KA 1%) and 0.5:9.5 (KA 5%) were prepared by sonification. Interaction of KA-TiO2 with metanil yellow was performed at initial concentration of 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, and 50 ppm for 3 hours. The experiment of UV irradiation time was performed at 1, 2, 3, 4, 5, 18, and 20 hours. The results showed that the higher the initial concentration of metanil yellow and that the longer the irradion time, the higher the amount of metanil yellow degraded. KA:TiO2 having weight ratio of 0.1:9.9 degraded more metanil yellow than that of 0.5:9.5 with maximum degradation of 66% at initial concentration of 6-10 ppm. 1. Pendahuluan Indonesia merupakan salah satu dari sekian banyak negara yang berkembang pesat dibidang perindustrian seperti industri tekstil yang ada hampir di setiap daerah di Indonesia. Meskipun demikian, industri tekstil memberikan dampak negatif bagi lingkungan dengan adanya pembuangan limbah tekstil yang mengandung bahan kimia berbahaya ke dalam perairan. Limbah tekstil mengandung bahan-bahan pencemar yang sangat kompleks dengan intensitas warna tinggi. Sebagian besar bahan pencemar yang terdapat dalam limbah tekstil adalah zat warna tekstil terutama zat warna sintetik (Azbar et al., 2004). Untuk mengurangi pencemaran lingkungan perairan yang disebabkan oleh limbah industri *Corresponding author: Jurusan Kimia FMIPA UNSRAT, Jl. Kampus Unsrat, Manado, Indonesia 95115; address: wuntudenny@yahoo.com Published by FMIPA UNSRAT (2014)

2 140 JURNAL MIPA UNSRAT ONLINE 3 (2) tekstil maka harus dilakukan pengolahan limbah sebelum dibuang ke lingkungan. Pengolahan limbah tekstil dapat dilakukan dengan proses penyaringan dan adsorpsi melalui penggunaan adsorben seperti karbon aktif dan zeolit. Cara pengolahan ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu ukuran partikel adsorben, ph larutan, dan lama waktu kontak antara adsorben dengan bahan pencemar (Mattioli et al., 2002). Meskipun demikian, metode adsorpsi seperti ini hanya mampu mengambil polutan dari media air tetapi tidak dapat menghilangkannya. Cara lain yang dapat digunakan adalah cara oksidasi baik secara biologi maupun kimia, tetapi oksidasi secara biologi digunakan terbatas dan berlangsung secara lambat, sedangkan oksidasi secara kimiawi hanya tepat untuk polutan yang memiliki konsentrasi tinggi (Sutrisno et al., 2006). Dengan memperhatikan berbagai keterbatasan tersebut, maka perlu dipikirkan cara lain untuk mendegradasi polutan ini, yaitu dengan metode fotodegradasi yang memanfaatkan sinar ultraviolet (UV) dan fotokatalis seperti titanium oksida (TiO2). Dalam penelitian ini, material yang digunakan adalah karbon aktif yang dibuat dari cangkang pala yang seringkali menjadi limbah dan kurang diberdayakan. Material tersebut selanjutnya dimodifikasi dengan TiO2 dan digunakan untuk mendegradasi zat warna metanil yellow. Metanil yellow adalah pewarna yang bersifat karsinogenik dan mutagenik sehingga diperlukan cara yang efektif untuk mendegradasi senyawa tersebut dan mengubahnya menjadi CO2 dan H2O (Christina et al., 2007; Slamet et al., 2006). Walaupun daya jerap dari karbon aktif cangkang pala tidak setinggi daya jerap karbon aktif tempurung kelapa, namun diharapkan dengan modifikasi ini, kemampuan karbon aktif cangkang pala untuk mengadsorpsi dan mendegradasi limbah zat warna dapat ditingkatkan. Penggunaan material karbon aktif cangkang pala (KA) untuk fotodegradasi zat warna metanil yellow belum pernah dilakukan sehingga masih perlu diteliti beberapa aspek dasar seperti pengaruh konsentrasi awal zat warna metanil yellow, perbandingan jumlah KA:TiO2, dan lama penyinaran UV pada kemampuan material KA:TiO2 untuk mendegradasi zat warna ini. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perbandingan berat KA:TiO2, pengaruh konsentrasi awal, pengaruh lama penyinaran cahaya UV pada jumlah metanil yellow yang mengalami fotodegradasi oleh KA-TiO2. 2. Metode 2.1. Material Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah cangkang pala, natrium klorida (NaCl), titanium dioksida (TiO2), dan pewarna metanil yellow. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanur, oven (Memmert), neraca analitik, indikator ph universal, peralatan gelas (Iwaki Pyrex), botol serum, lampu UV-A (Himawari T8-20W), spektrofotometer UV-Vis (Shimadzu UV-1800), sonikator (Eyela), sentrifus (Gemmy PLC-025), dan satu set reaktor fotodegradasi Pembuatan Fotokatalis KA-TiO2 Karbon aktif cangkang pala dibuat mengikuti prosedur yang diuraikan oleh Poha (2011). Pembuatan Fotokatalis KA-TiO2 duikerjakan dengan mengadopsi prosedur yang dikemukakan oleh Riyani dan Setyaningtyas (2011). Material yang digunakan memiliki perbandingan berat KA:TiO2 0,1:9,9 (KA 1%) dan 0,5:9,5 (KA 5%). Karbon aktif dan TiO2 dengan perbandingan berat yang telah ditentukan mula-mula disuspensikan dalam air demineralisasi dan selanjutnya suspensi diletakkan dalam sonikator selama 5 jam. Suspensi selanjutnya disaring kemudian KA-TiO2 dikeringkan dalam oven dengan suhu 105 ºC selama 24 jam Pengaruh Konsentrasi Metanil Yellow Dalam penelitian ini digunakan larutan metanil yellow dengan konsentrasi 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, dan 50 ppm. Sebanyak 0,05 g KA-TiO2 (perbandingan berat KA:TiO2 0,1:9,9) dicampur dengan 20 ml larutan metanil yellow dalam botol serum dan disinari lampu UV selama 3 jam sambil diaduk. Setelah itu dilakukan penyaringan dan disentrifugasi pada 3000 rpm selama 30 menit kemudian dilakukan pengukuran konsentrasi metanil yellow yang tersisa dalam larutan menggunakan spektrofotometer UV. Prosedur yang sama dilakukan untuk KA-TiO2 dengan perbandingan berat KA:TiO2 0,5:9,5. Percobaan dilakukan dalam dua kali pengulangan Pengaruh Lama Penyinaran Sebanyak 0,05 g KA-TiO2 dengan perbandingan berat KA:TiO2 0,1:9,9 dicampur dengan 20 ml larutan metanil yellow 30 ppm dalam botol serum dan diberi penyinaran dengan lampu UV selama 1, 2, 3, 4, 5, 18 dan 20 jam. Setelah itu dilakukan penyaringan dan disentrifugasi pada 3000 rpm selama 30 menit kemudian dilakukan pengukuran konsentrasi metanil yellow yang tersisa dalam larutan menggunakan spektrofotometer UV. Percobaan dilakukan dalam dua kali pengulangan. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Pengaruh Konsentrasi Awal Metanil Yellow dan Perbandingan Berat KA-TiO2 Jumlah metanil yellow yang terdegradasi per gram fotokatalis KA-TiO2 pada berbagai konsentrasi awal metanil yellow yang digunakan disajikan dalam Gambar 1.

3 JURNAL MIPA UNSRAT ONLINE 3 (2) Gambar 1. Jumlah metanil yellow yang terdegradasi per gram KA-TiO2 pada berbagai konsentrasi awal metanil yellow Pada Gambar 1 terlihat bahwa fotokatalis KA- TiO2 yang mengandung lebih banyak TiO2 (perbandingan KA:TiO2 0,1:9,9 (g/g)) memiliki kemampuan lebih besar untuk mendegradasi metanil yellow dibandingkan dengan yang mengandung lebih sedikit TiO2 (perbandingan KA:TiO2 0,5:9,5 (g/g)) pada semua konsentrasi awal metanil yellow. Bertambahnya jumlah KA justru menurunkan kemampuan fotodegradasi KA-TiO2. Penambahan KA diharapkan dapat meningkatkan aktivitas TiO2 karena KA juga adalah adsorben sehingga metanil yellow akan terkonsentrasi pada KA dan proses fotokatalisis oleh TiO2 menjadi lebih efisien karena semakin banyak metanil yellow yang melakukan kontak dengan TiO2. Penurunan kemampuan fotodegradasi KA-TiO2 dengan bertambahnya jumlah KA dapat disebabkan oleh tidak meratanya permukaan fotokatalis dan semakin kecilnya pori-pori fotokatalis seperti yang ditunjukkan oleh Riyani dan Setyaningtyas (2011) melalui analisis Scanning Electron Microscopy (SEM). Penelitian lain oleh Andayani dan Sumartono (2007) juga mendapatkan bahwa semakin banyak KA dalam fotokatalis, semakin kecil kemampuan fotodegradasinya. Apabila dalam katalis terdapat adsorben seperti KA, maka substrat dalam hal ini zat warna metanil yellow akan mengalami kontak dengan permukaan katalis TiO2 melalui permukaan perantara adsorben karbon aktif. Katalis TiO2 yang menempel pada permukaan karbon aktif akan berkontak pula dengan substrat metanil yellow yang diserap oleh permukaan karbon aktif. Dengan demikian proses fotokatalisis akan berlangsung lebih mudah. Namun penurunan kemampuan fotodegradasi dengan semakin banyaknya KA dalam KA-TiO2 dapat disebabkan oleh tertutupnya permukaan fotokatalis TiO2 oleh KA. Kurva pada Gambar 1 juga menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi awal metanil yellow, makin banyak metanil yellow yang mengalami fotodegradasi per gram fotokatalis yang digunakan. Dengan menggunakan analisis regresi untuk melihat kecenderungan kenaikan jumlah metanil yellow yang mengalami fotodegradasi, terlihat bahwa kenaikannya mengikuti regresi logaritmik. Jika data dipresentasikan dalam bentuk persen terdegradasi vs. konsentrasi awal (Gambar 2) maka terlihat bahwa persentasi maksimum metanil yellow yang terdegradasi terjadi pada konsentrasi awal metanil yellow 6-10 ppm Pengaruh Lama Penyinaran Pengaruh lama penyinaran UV pada jumlah metanil yellow yang mengalami fotodegradasi oleh KA-TiO2 dapat dilihat pada Gambar 3.

4 142 JURNAL MIPA UNSRAT ONLINE 3 (2) Gambar 2. Persen metanil yellow terdegradasi pada berbagai konsentrasi awal metanil yellow Gambar 3. Pengaruh lama penyinaran UV pada jumlah metanil yellow yang terdegradasi Dari Gambar 3 terlihat bahwa semakin lama waktu penyinaran UV maka aktivitas fotodegradasi semakin meningkat. Semakin lama waktu penyinaran oleh sinar UV maka akan semakin banyak elektron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi sehingga makin banyak hole h + yang terbentuk (Malldotti et al., 2000; Nogueira dan Jordim, 1993; Ranjit et al., 1998). Semakin banyak h + yang terbentuk maka semakin banyak terjadi pembentukan radikal hidroksil yang berfungsi untuk mengoksidasi zat warna metanil yellow. Kenaikan jumlah metanil yellow terdegradasi mengikuti persamaan regresi logaritmik. 4. Kesimpulan Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa penambahan karbon aktif cangkang pala pada TiO2 justru menurunkan kemampuan fotodegradasi TiO2. Fotokatalis yang menghasilkan fotodegradasi maksimum pada semua konsentrasi awal metanil yellow adalah fotokatalis KA-TiO2 dengan perbandingan berat KA:TiO2 = 0,1:9,9. Semakin tinggi konsentrasi awal, makin banyak jumlah metanil yellow yang mengalami fotodegradasi dan persentasi maksimum metanil yellow terdegradasi adalah pada konsentrasi awal 6 sampai 10 ppm. Semakin lama waktu penyinaran, semakin banyak jumlah metanil yellow yang mengalami fotodegradasi.

5 Daftar Pustaka Andayani, W., dan A. Sumartono Karakterisasi Katalis TiO2 dan TiO2/Karbon Aktif yang diimobilisasikan pada Pelat Titanium. Indonesia Journal Chemistry. 7: Azbar, N., T. Yonar, dan K. Kestioglu Comparison of Various Advance Oxidation Processes and Chemical Treatment Methods for COD and Colour Removal from Polyester and Acetate Fiber Dying Effluent. Chemosphere. 55: Christina, M., S. Mu nisatun., R. Saptaaji, dan D. Marjanto Studi Pendahuluan Mengenai Degradasi Zat Warna Azo (Metil Orange) dalam Pelarut Air Menggunakan Mesin Berkas Elektron 350 kev/10 ma. JFN. 1: Malldotti, A., L. Andrenalli, A. Mollinari, G. Varani. Cerichelli, and M. Chiarini Photocatalytic Properties of Iron-Phorpyrin Revisited in Aqueous Micellar Encvironment. Green Chemistry. 3: JURNAL MIPA UNSRAT ONLINE 3 (2) Mattioli, D., F. Malpei, G. Bortone, and A. Rozzi Water Minization and Reuse in Textile Industry: Analysis, Technologies and Implementation. IWA Publishing, Cornwall, UK. Nogueira, R. F. P., W. F. Jordim Photodegradation of Methylene Blue Using Solar Light and Semiconductor (TiO2). Journal of Chemistry Education. 70: Ranjit, K., I. Willnar, S. Bossmann, A. Braun Iron(III) phtalocyanine-modified Titanium Dioxide: A Novel Photocatalyst for Enhanced Photodegradation of Organic Pollutant. Journal of Physical and Chemistry. B. 102: Riyani, K., dan T. Setyaningtyas Pengaruh Karbon Aktif Terhadap Aktivitas Fotodegradasi Zat Warna pada Limbah Cair Industri Tekstil menggunakan Fotokatalis TiO2. Molekul. 6: Slamet., S. Bismo., R. Arbianti, dan Z. Sari Penyisihan Fenol dengan Kombinasi Proses Adsorpsi dan Fotokatalisis Menggunakan Karbon Aktif dan TiO2. Jurnal Teknologi. 4: